微型胃肠道介入式诊疗装置的便携定位系统设计

　　1　引　言

　　目前,体内微型介入式诊疗装置越来越受到世界各国相关领域的重视,胶囊内窥镜、自主机器人式胶囊内窥镜、生理参数检测胶囊、遥控施药胶囊、采样 胶囊不断涌现,但其在人体内的定位问题仍没有得到很好的解决,从而不能使以上各种无创检测系统成功地投入实用。目前,国内外对体内微型介入式诊疗装置的定 位方法主要有放射性核素标记法[1]、磁标记物法[2-6]、检测射频信号强度法、相位法[7-8]和超声波定位法[9],但这些方法存在很多不足,如放 射性核素对人体有辐射伤害;磁标记物法检测的是静磁场,易被地磁场等外界磁场干扰;射频信号能量的衰减跟人体组织有关。综上,这些方法都难以准确检测微型 介入式诊疗装置在人体中位置及姿态,因此,难以实现对介入装置的准确定位。

　　为了准确检测微型检测胶囊在人体中的位置和姿态,基于人体是非导磁体,其磁导率与真空磁导率相等,而且交流激磁受外界干扰小等特点,本文设计了 交流激磁的便携式定位系统。分别从系统工作原理、数学模型、定位算法、台架试验及结果分析等方面详细论述了本系统的可行性与优越性。

　　2　便携式定位系统的工作原理及系统设计

　　本文以人体全消化道生理参数微型智能介入式诊查系统如图1所示为研究对象,系统由微型遥测胶囊(如图2所示)、体外便携式数据记录器(如图3所示)、体外定位线圈和体外数据处理系统组成。微型遥测胶囊即为定位系统的定位目标。

　　2.1　工作原理

　　在人体外布置多个线圈以进行交流激磁,并在遥测胶囊内放置一个感应线圈来检测感应体外激磁线圈产生的磁场强度转换成的感应电动势并传送到体外数 据接收器,最后将数据输入到上位机的数据处理系统,通过求解以胶囊位置和姿态角为未知数的非线性方程组得到微型胶囊在人体中的准确位置。

　　2.2　系统设计

　　定位系统主要包括激磁模块和感应模块两部分,如图4所示。激磁模块同时也是人体胃肠道生理参数检测系统中的数据接收器的一部分,即定位系统驱动 与控制模块,如图3所示,其功能一是给激磁线圈通以某个频率的交变电流,使其在空间产生交变的磁场;二是通过对遥测胶囊传出的射频数据进行判断,控制每个 激磁线圈中电流的通断。感应模块即感应电动势检测模块,置于遥测胶囊内部,如图2所示,其功能是准确检测由激磁线圈在周围空间产生的交变磁场。定位系统工 作过程:激磁模块给某一激磁线圈通以交变流;待激磁线圈在空间建立起稳定的交变磁场后,感应模块开始检测感应线圈的感应电动势,所测数据通过射频模块传送 给体外的数据接收器,同时通知激磁模块切断前一个激磁线圈电流,给下一个激磁线圈通电;最后将存储在数据接收器中的感应电动势数据输入到上位机中,经过定 位算法软件绘制遥测胶囊在人体中的轨迹。